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紧急电话与仪表盘音频

大家好 我叫刘宏伟 是德州仪器的技术支持 今天我将跟大家介绍 在eCall和Cluster的音频方案 今天的内容分为五部分 第一是音频的架构 二是音频的质量 也就是说它的性能指标 第三是音频电路的诊断和保护 第四是音频电路的效率 最后是EMI和EMC 设计方面的考虑 我们先看音频的架构 这张图是一个 中等规模的Cluster里面的框图 最中间是处理器 左边分别有 电源 有视频的输入 有CAN Bus 有以太网 有ddr和给台上 显示的一些视频接口 还有显示的一些接口 黄色框里面是今天讲的重点内容 就是DAC和Class-D放大器 上面也有一些视频相关的 和显示相关的一些电路 这张图是eCall典型的框架图 左边的也是电源部分 右边是信号链部分 电源可以来自于汽车电池 或者是备用电池 信号链部分 主要看黄色框里的电路 左边是一个音频Codec 包含ADC和DAC DAC起到的作用是将 音频信号转换成数字或者模拟信号 传输给放大器 放大器再传给喇叭 完成回放的功能 那ADC起到的作用是 把来自于麦克风采集到的微弱信号 通过放大器放大以后 再被ADC采集 变成数字信号 然后我们再来看一下稍微 详细一点的音频信号链的架构图 最左边是音频源 它来自于两方面 一个是麦克风 一个是存储的数字信号 麦克风采集到微弱的电信号之后 必须要被放大器放大 然后由ADC采样变成数字信号 然后再通过无线 传输的方式传输给DAC DAC把数字信号转换成模拟信号 再通过音频功放回放出来 同时另一方面 它也可以将数字信号 通过存储媒介 再通过DAC 再通过放大器 再通过喇叭回放出来 这张表格说明 eCall和Cluster的一些区别 我们先从音频的来源来看 Cluster的音频来源只是来自于存储 存储在处理器里面的数字文件 而eCall除了数字文件 它还可以来自于麦克的模拟输入 在音频输出一块 Cluster只是输出给喇叭 而eCall除了输出给喇叭 还可以通过无线的方式 把数字信号传递发送出去 音频类型来看 Cluster主要来体现一些低音 或者其他一些通知的声音 而eCall主要处理一些人声的信号 在音频的质量要求方面 Cluster对音频质量要求较低 因为它发出的声音比较简单 而eCall对人声要求比较高 它的失真主要 来自于人声的一些压缩 所以它对音频要求质量比较高 但是相对于音乐而言 它的要求还是比较低的 在声压这一块 Cluster对声压要求比较低 而eCall的声压要求比较高 因为它需要对人声 做一些识别和处理 在效率方面 Cluster对效率要求比较高 因为它体积小 没有额外可以散热的装置 而eCall对效率要求也比较高 因为它需要一些 比较长的电池的使用时间 通道数量方面 Cluster只要一个channel就可以了 而eCall可以一个channel 也可以附infotainment一些喇叭 在诊断和保护这一块 Cluster需要一些安全相关的通知 比如说 知道偏移 黄金检测这一块 而在eCall这块是必须的 因为它有可能对电池短路 在输入电源方面 Cluster可以是 电池直接供电或者是5V供电 eCall可以使电池直接供电 或者是备用电池供电 在EMI和EMC方面都是要求过 CISPR-25的这个级别 或者说由车厂自己定义 接下来我们看音频质量 也就是音频指标 音频指标而言 一些重要音频指标 对ADC DAC和CODEC而言 最终的指标是这些 THD+N 频率响应 SNR 也就是信噪比 还有动态范围 对放大器而言 它的折叠器指标是 THD+N 输出功率 PSRR Pop and Click 频率响应 输出滤波器 对喇叭而言 主要是声压 我们来看一下THD 和Clipping 或者说是 叫做削峰的这么一个关系 当THD+N小于1%的时候 你看它的音频波形 还是比较完整的 没有明显的失真 但是当它的THD等于10的时候 你会看到明显的削峰 在这个点上都被削掉了 这就是严重的失真 然而可以非常明显的清出来 非常容易的剔出来 我们来看一下 两种典型的失音的斜波成分 左边是喇叭的斜波 它的梯波是440Hz 我们可以看到440Hz 880Hz 或者是它的n次方 都会有斜波在里面 右边是单晃晃的声音 它的积波也是440Hz 但是它的斜波频率 跟喇叭完全不一样 所以我们听到不同的音色 这个是一个THD+N的例子 左边这张图 横轴是输出功率 纵轴是THD+N的值 我们可以看到随着功率增加 在某一些点上面 它的THD+N会明显地显著的上升 这就会产生Clipping 或者是削峰的一些现象产生 同时我们可以看到 对于同一个电路而言 不同频率 它的THD+N 对应的输出功率是不一样的 再看右边 右边的这张图是 THD+N和频率的关系 随着横轴式频率 随着频率的增加 THD的性能也会变差 我们再来看一下THD+N 会由信号链中哪一些环节来造成呢 首先是ADC采样的时候 它会有压缩 同时ADC本身也有失真 当然前面的麦克风有失真 放大器也有失真 但是它们都不是最主要的 最主要的是 来自于ADC的本身的失真 然后在回放这一块 它的主要失真来自于功放这一块 这个功放它跟 一般的THD+N做的性能呢 能够做到0.01%到0.1% 当然现在有一些好的 一些高性能的功放 做到0.01%以下也是可能的 然后另外一个最主要的 一些失真成分来自于喇叭 我们来看一下 最大输出功率跟PVCC 也就是说功放的供电电压 之间的关系 为了避免削峰 我们必须要控制最大的输出功率 从这个公式可以看出来 这段输出功率跟PVCC直接相关 同时也跟喇叭的阻抗相关 也跟功率放大器的Rdson相关 我们再来看PSRR PSRR这个指标主要反映的是 放大器对来自于电源 造成的抑制能力的指标 PSRR越高 说明它对 电源造成的抑制能力越强 一个电源和一个电容组成 形成一个低通滤波器 它的截止频率一般是20几KHz 或者是30几KHz都可以 都没有问题 我们再来看SNR信噪比 信噪比反应的是有用信号 跟背景噪声之间的一个对比关系 Pop音和Click音也是在音频 (听不清)常见的一个问题 一般情况下 它应该有一个正确的开关 持续来保证 不会有Pop音或者Click音 声压主要是一个 描述喇叭的参数指标 我们再来看一下诊断和保护 对复杂的诊断的一些要求 主要有四个方面 一个是对电池通路 对地短路 和负载本身短路 还有负载开路 这四方面 一般情况下诊断电路 可以由两个比较器来实现 从右边的原理图可以看出 举个例子 比如SP+ 断路以后 输入给 比较器的电压会被拉到PVCC 电压会明显偏高 这时候系统会知道 如果对地短路 电压会变为0 这个比较器也会知道 SP-也是同理 Class-D放大器在shut down模式下 它会对地有一些电阻 也需要考虑进去 一般也就是30K左右 有的放大器 比如说TI的TAS5411 它已经内部集成了负载诊断的功能 它可以节省的成本 大约0.12美金 它还能够节省 两个单片机的GPIO管脚 还可以节省PCB的面积 这是负载短路的电池的一个示意图 当负载端短路的电池以后 它会有一个高电压 电池的高电压会形成一个 红色箭头所示的一个反向电流 灌入电源 如果外面增加一个消耗基二极管 就可以把这个反向的电流引开 而保护放大器本身 我们再回到前面的表格 所以说在整段和保护这块儿 是对Cluster和eCall来说 都是有必要的 我们再来看效率 我们先看一下放大器的分类 把它分为ClassA、B、AB C、D、G和H这几大类 ClassA是最早的 最原始的一种放大器类型 它的效率最低 因为它一直是处于导通状态的 ClassB比ClassA的效率会高一些 它会有一半的时间是处于导通状态的 但是它有比较明显的crossover 的失真的问题 就校阅失真的问题 ClassAB是介于ClassA和B之间 它集合了ClassA和ClassB的优点 也就是说效率相对而言还算可以 同时也没有crossover 这种失真的问题 ClassC主要是在视频放大器中 我们这里不讨论 ClassD是一种 用的比较多的数字放大器 它工作在高频 同时开关管 也工作在导通或者关闭状态 所以它的效率是很高的 ClassG和H是另外一种 用得比较少见的放大器类型 它可以产生比 供电电压更高的输出电压 因为它内部集成了boost电源 这是一个ClassAB的原理图 它在门阶会有偏置电压 同时它的效率 会比ClassB会低一点儿 它在之前比较传统的汽车里面 得到了广泛的运用 ClassD放大器它调制在 一种比较高频的信号里面 一般是产生PWM调制波形 它的输出晶体管上 处于开关或者导通状态 要么开 要么关 同时导通的时候 它的晶体管的列组 或者说在晶体管 上面的压价是非常低的 所以它的效率很高 这点类似于DCDC开关电源 通常它的效率在90%以上 但是另外有一点如果频率太高 对于EMC的设计 而言又是一个挑战 这个是一个比较典型的 ClassAB放大器的一个热效应图 大家可以看出在放大器 的中心位置温度是很高的 最高可以达到98度 而对于一种 比较新型的ClassD的放大器 比如TI的TAS5421这类放大器 同样的输出功率 跟前面那个ClassAB 放大器同样的输出功率 它的温度基本上是没有的 是冷的 它的最高温度也就是26.72度 所以我们再回到前面那个表格 对于高效率而言 ClassD放大器是最合适的 接下来我们再看EMI和EMC的设计 这是一个TIDesigns 它包含了一个Codec 和一个音频功率放大器 还包含一些电源 在Layout方面的建议呢 我们一般都要求 功率 电源上面的去耦电容 要尽可能靠近PVDD芯片管脚 同时这个开关切换点 的面积就要尽可能小 同时LC电路的回路 必须要非常的干净 我们再看一个 单极线天线所产生的EMC 它在一个500KHz PWM开关频率 的情况下的EMC情况是这样子的 这有一个明显的尖峰 还有它的斜坡的尖峰 所以 EMC的设计也是非常重要的 我们再来看一些附录 TI能够提供更多的 音频设计方面的资料 但他可以访问 TI网站得到更多的信息 这是TI一个eCall的仔细参考设计 它包含了一个 音频Codec和一个音频功放 还有一些ESD的保护以及电源 谢谢大家

大家好 我叫刘宏伟

是德州仪器的技术支持

今天我将跟大家介绍 在eCall和Cluster的音频方案

今天的内容分为五部分

第一是音频的架构

二是音频的质量 也就是说它的性能指标

第三是音频电路的诊断和保护

第四是音频电路的效率

最后是EMI和EMC 设计方面的考虑

我们先看音频的架构

这张图是一个 中等规模的Cluster里面的框图

最中间是处理器

左边分别有

电源 有视频的输入 有CAN Bus 有以太网

有ddr和给台上 显示的一些视频接口

还有显示的一些接口

黄色框里面是今天讲的重点内容

就是DAC和Class-D放大器

上面也有一些视频相关的

和显示相关的一些电路

这张图是eCall典型的框架图

左边的也是电源部分

右边是信号链部分

电源可以来自于汽车电池

或者是备用电池

信号链部分 主要看黄色框里的电路

左边是一个音频Codec

包含ADC和DAC

DAC起到的作用是将 音频信号转换成数字或者模拟信号

传输给放大器

放大器再传给喇叭

完成回放的功能

那ADC起到的作用是

把来自于麦克风采集到的微弱信号

通过放大器放大以后

再被ADC采集 变成数字信号

然后我们再来看一下稍微 详细一点的音频信号链的架构图

最左边是音频源

它来自于两方面

一个是麦克风 一个是存储的数字信号

麦克风采集到微弱的电信号之后

必须要被放大器放大

然后由ADC采样变成数字信号

然后再通过无线 传输的方式传输给DAC

DAC把数字信号转换成模拟信号

再通过音频功放回放出来

同时另一方面 它也可以将数字信号

通过存储媒介 再通过DAC 再通过放大器

再通过喇叭回放出来

这张表格说明 eCall和Cluster的一些区别

我们先从音频的来源来看

Cluster的音频来源只是来自于存储

存储在处理器里面的数字文件

而eCall除了数字文件

它还可以来自于麦克的模拟输入

在音频输出一块 Cluster只是输出给喇叭

而eCall除了输出给喇叭

还可以通过无线的方式

把数字信号传递发送出去

音频类型来看

Cluster主要来体现一些低音

或者其他一些通知的声音

而eCall主要处理一些人声的信号

在音频的质量要求方面

Cluster对音频质量要求较低

因为它发出的声音比较简单

而eCall对人声要求比较高

它的失真主要 来自于人声的一些压缩

所以它对音频要求质量比较高

但是相对于音乐而言 它的要求还是比较低的

在声压这一块 Cluster对声压要求比较低

而eCall的声压要求比较高

因为它需要对人声 做一些识别和处理

在效率方面 Cluster对效率要求比较高

因为它体积小 没有额外可以散热的装置

而eCall对效率要求也比较高

因为它需要一些 比较长的电池的使用时间

通道数量方面

Cluster只要一个channel就可以了

而eCall可以一个channel 也可以附infotainment一些喇叭

在诊断和保护这一块

Cluster需要一些安全相关的通知

比如说 知道偏移 黄金检测这一块

而在eCall这块是必须的

因为它有可能对电池短路

在输入电源方面 Cluster可以是 电池直接供电或者是5V供电

eCall可以使电池直接供电

或者是备用电池供电

在EMI和EMC方面都是要求过

CISPR-25的这个级别 或者说由车厂自己定义

接下来我们看音频质量 也就是音频指标

音频指标而言

一些重要音频指标

对ADC DAC和CODEC而言

最终的指标是这些

THD+N 频率响应

SNR 也就是信噪比

还有动态范围

对放大器而言

它的折叠器指标是

THD+N 输出功率

PSRR Pop and Click 频率响应

输出滤波器

对喇叭而言 主要是声压

我们来看一下THD

和Clipping 或者说是 叫做削峰的这么一个关系

当THD+N小于1%的时候

你看它的音频波形 还是比较完整的

没有明显的失真

但是当它的THD等于10的时候

你会看到明显的削峰

在这个点上都被削掉了 这就是严重的失真

然而可以非常明显的清出来

非常容易的剔出来

我们来看一下 两种典型的失音的斜波成分

左边是喇叭的斜波

它的梯波是440Hz

我们可以看到440Hz

880Hz 或者是它的n次方 都会有斜波在里面

右边是单晃晃的声音

它的积波也是440Hz

但是它的斜波频率 跟喇叭完全不一样

所以我们听到不同的音色

这个是一个THD+N的例子

左边这张图

横轴是输出功率

纵轴是THD+N的值

我们可以看到随着功率增加 在某一些点上面

它的THD+N会明显地显著的上升

这就会产生Clipping 或者是削峰的一些现象产生

同时我们可以看到

对于同一个电路而言

不同频率 它的THD+N 对应的输出功率是不一样的

再看右边 右边的这张图是

THD+N和频率的关系

随着横轴式频率 随着频率的增加

THD的性能也会变差

我们再来看一下THD+N 会由信号链中哪一些环节来造成呢

首先是ADC采样的时候

它会有压缩

同时ADC本身也有失真

当然前面的麦克风有失真 放大器也有失真

但是它们都不是最主要的

最主要的是 来自于ADC的本身的失真

然后在回放这一块

它的主要失真来自于功放这一块

这个功放它跟 一般的THD+N做的性能呢

能够做到0.01%到0.1%

当然现在有一些好的 一些高性能的功放

做到0.01%以下也是可能的

然后另外一个最主要的 一些失真成分来自于喇叭

我们来看一下 最大输出功率跟PVCC

也就是说功放的供电电压

之间的关系

为了避免削峰 我们必须要控制最大的输出功率

从这个公式可以看出来

这段输出功率跟PVCC直接相关

同时也跟喇叭的阻抗相关

也跟功率放大器的Rdson相关

我们再来看PSRR

PSRR这个指标主要反映的是

放大器对来自于电源 造成的抑制能力的指标

PSRR越高 说明它对 电源造成的抑制能力越强

一个电源和一个电容组成

形成一个低通滤波器

它的截止频率一般是20几KHz

或者是30几KHz都可以 都没有问题

我们再来看SNR信噪比

信噪比反应的是有用信号

跟背景噪声之间的一个对比关系

Pop音和Click音也是在音频 (听不清)常见的一个问题

一般情况下 它应该有一个正确的开关

持续来保证 不会有Pop音或者Click音

声压主要是一个 描述喇叭的参数指标

我们再来看一下诊断和保护

对复杂的诊断的一些要求

主要有四个方面

一个是对电池通路

对地短路

和负载本身短路

还有负载开路

这四方面

一般情况下诊断电路 可以由两个比较器来实现

从右边的原理图可以看出

举个例子 比如SP+

断路以后 输入给 比较器的电压会被拉到PVCC

电压会明显偏高

这时候系统会知道

如果对地短路 电压会变为0

这个比较器也会知道

SP-也是同理

Class-D放大器在shut down模式下

它会对地有一些电阻

也需要考虑进去 一般也就是30K左右

有的放大器 比如说TI的TAS5411

它已经内部集成了负载诊断的功能

它可以节省的成本 大约0.12美金

它还能够节省 两个单片机的GPIO管脚

还可以节省PCB的面积

这是负载短路的电池的一个示意图

当负载端短路的电池以后 它会有一个高电压

电池的高电压会形成一个 红色箭头所示的一个反向电流

灌入电源

如果外面增加一个消耗基二极管

就可以把这个反向的电流引开

而保护放大器本身

我们再回到前面的表格

所以说在整段和保护这块儿

是对Cluster和eCall来说 都是有必要的

我们再来看效率

我们先看一下放大器的分类

把它分为ClassA、B、AB C、D、G和H这几大类

ClassA是最早的 最原始的一种放大器类型

它的效率最低 因为它一直是处于导通状态的

ClassB比ClassA的效率会高一些

它会有一半的时间是处于导通状态的

但是它有比较明显的crossover 的失真的问题 就校阅失真的问题

ClassAB是介于ClassA和B之间

它集合了ClassA和ClassB的优点

也就是说效率相对而言还算可以

同时也没有crossover 这种失真的问题

ClassC主要是在视频放大器中 我们这里不讨论

ClassD是一种 用的比较多的数字放大器

它工作在高频

同时开关管 也工作在导通或者关闭状态

所以它的效率是很高的

ClassG和H是另外一种

用得比较少见的放大器类型

它可以产生比 供电电压更高的输出电压

因为它内部集成了boost电源

这是一个ClassAB的原理图

它在门阶会有偏置电压

同时它的效率 会比ClassB会低一点儿

它在之前比较传统的汽车里面

得到了广泛的运用

ClassD放大器它调制在 一种比较高频的信号里面

一般是产生PWM调制波形

它的输出晶体管上 处于开关或者导通状态

要么开 要么关

同时导通的时候

它的晶体管的列组

或者说在晶体管 上面的压价是非常低的

所以它的效率很高

这点类似于DCDC开关电源

通常它的效率在90%以上

但是另外有一点如果频率太高

对于EMC的设计 而言又是一个挑战

这个是一个比较典型的 ClassAB放大器的一个热效应图

大家可以看出在放大器 的中心位置温度是很高的

最高可以达到98度

而对于一种 比较新型的ClassD的放大器

比如TI的TAS5421这类放大器

同样的输出功率

跟前面那个ClassAB 放大器同样的输出功率

它的温度基本上是没有的

是冷的

它的最高温度也就是26.72度

所以我们再回到前面那个表格

对于高效率而言 ClassD放大器是最合适的

接下来我们再看EMI和EMC的设计

这是一个TIDesigns

它包含了一个Codec 和一个音频功率放大器

还包含一些电源

在Layout方面的建议呢

我们一般都要求

功率 电源上面的去耦电容 要尽可能靠近PVDD芯片管脚

同时这个开关切换点 的面积就要尽可能小

同时LC电路的回路

必须要非常的干净

我们再看一个 单极线天线所产生的EMC

它在一个500KHz PWM开关频率 的情况下的EMC情况是这样子的

这有一个明显的尖峰

还有它的斜坡的尖峰

所以 EMC的设计也是非常重要的

我们再来看一些附录

TI能够提供更多的 音频设计方面的资料

但他可以访问 TI网站得到更多的信息

这是TI一个eCall的仔细参考设计

它包含了一个 音频Codec和一个音频功放

还有一些ESD的保护以及电源

谢谢大家

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紧急电话与仪表盘音频

所属课程:紧急电话与仪表盘音频 发布时间:2017.06.05 视频集数:1 本节视频时长:15:20

本教程主要介绍了音频架构,音频质量,音频电路诊断和保护,音频功放效率,EMC/EMI设计

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